元素掺杂对TiAlN涂层刀具性能影响的研究进展

随着我国制造业的快速发展与难加工材料的接连涌现,迫切需要切削技术不断更新迭代,而切削刀具的发展成为提升加工效率的关键因素。近年来,涂层技术成为提高刀具切削性能的有效途径,特别是TiAlN涂层凭借良好的耐磨性与稳定性,被广泛应用于切削刀具。然而,传统TiAlN涂层刀具难以承担热力化多重耦合的苛刻工况。如何通过元素掺杂,形成固溶强化与细晶强化,便捷、高效地提升TiAlN涂层刀具的切削性能,成为该领域的研究热点。针对此问题,本文概述了TiAlN涂层的作用机理与制备方法,分析了不同工艺所获涂层的微观形貌与物相结构,阐述了高温工况TiAlN涂层由于氧化与相变导致的使用局限性,着重综述了掺杂Si,C,Cr,B与V元素对TiAlN涂层微观结构、硬度、耐磨性、抗氧化性与刀具使用寿命的影响,最后对TiAlN涂层刀具的未来发展进行了总结。

溅射功率对直流磁控溅射TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射技术在304L不锈钢表面制备TiAlN涂层,研究了溅射功率(80,100,120,140,160 W)对TiAlN涂层组织和摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层由面心立方结构的TiAlN相以及少量TiN和AlN相组成。随着溅射功率的增加,TiAlN涂层变厚,表面晶粒更加致密,但溅射功率160 W下制备的涂层表面大颗粒较多,晶粒尺寸先变小后变大,结合力先增大后减小,平均摩擦因数和比磨损率均整体呈先减小后增大的趋势;溅射功率140 W下制备的涂层具有最小的晶粒尺寸、最强的结合力、最小的平均摩擦因数和比磨损率,磨痕较平整且仅有少量磨屑,磨损机制为轻微的黏着磨损。

硬质合金表面预处理状态对TiAlCrSiN/TiAlN涂层结构与机械性能的影响

采用电弧离子镀工艺在不同预处理后的硬质合金表面制备TiAlCrSiN/TiAlN涂层,采用扫描电镜、X射线衍射仪、纳米压痕仪、压痕法等研究硬质合金表面形态和涂层结构、力学性能和结合强度。结果表明:抛光处理后的硬质合金表面十分平整,表面粗糙度低至7.7 nm。酸洗处理使硬质合金表层Co相溶解而暴露出更多的硬质相,表面粗糙度增大,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在酸洗处理的硬质合金上生长速率增大,晶粒细小,硬度和弹性模量高,但硬模比较低。喷砂处理使Co相塑性变形而包络更多的硬质相,表面粗糙度大幅增加,TiAlCrSiN/TiAlN涂层在喷砂处理的硬质合金上生长速率稍降低,晶粒粗大,硬度和弹性模量小,但硬模比较高。酸洗+喷砂复合处理的硬质合金表面TiAlCrSiN/TiAlN涂层的硬度、弹性模量、硬模比介于两种单独处理方式的之间。

PCVD-TiN,TiAlN及TiSiN涂层的抗高温氧化性能

研究了用PCVD法所制备的TiN，TiAlN和TiSiN硬质涂层的抗高温氧化性能及TiN涂层在双氧水介质中的抗氧化性能。结果表明，TiAlN，TiSiN涂层在空气中的抗高温氧化温度达700℃以上，TiN涂层可达600℃。在双氧水介质中，PCVD－TiN涂层仍具有较强的抗氧化能力，且优于PVD－TiN涂层。

阴极弧蒸发和高功率脉冲磁控溅射TiAlN涂层的性能研究

为对比研究阴极弧蒸发(CAE)和高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)两种工艺对TiAlN涂层结构、硬度、热稳定性及抗氧化性能的影响,本文采用两种方法制备了成分相同的Ti_(0.38)Al_(0.62)N涂层,使用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕仪分析了涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性和抗氧化性。两种涂层均呈面心立方结构;CAE涂层呈现大量的“液滴”缺陷,而HiPIMS涂层表面质量更优;CAE涂层硬度(~32.7GPa)略高于HiPIMS涂层(~31.8 GPa);HiPIMS涂层具有更高的热稳定性,CAE涂层在800℃达到硬度最高值~36.2 GPa,而HiPIMS涂层在900℃硬度达到最高~34.3 GPa,且随温度的升高,CAE涂层硬度下降更快。HiPIMS涂层表现出更好的抗氧化性能,在800℃氧化30 h后,CAE和HiPIMS制备的两种涂层的氧化层厚度分别为~630.7 nm和~589.3 nm。

W掺杂改性TiAlN涂层的微结构及性能研究

为详细研究W元素掺杂对TiAlN涂层的微结构及性能的影响,采用Ti_(40)Al_(60)、Ti_(38)Al_(60)W_(2)和Ti_(36)Al_(60)W_(4)三种靶材制备了Ti_(0.43)Al_(0.57)N、Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N三种涂层,并使用能量色散X射线光谱仪(EDX)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、纳米压痕研究W元素掺杂对TiAlN涂层的成分、微观结构、力学性能、热稳定性和抗氧化性的影响。结果表明:三种涂层均呈面心立方结构;W的掺杂对涂层的硬度无明显影响,Ti_(0.43)Al_(0.57)N、Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N涂层的硬度分别为29.1GPa、29.6GPa和30.1GPa;W的加入提高了涂层的热稳定性,退火过程中涂层完全分解温度由Ti_(0.43)Al_(0.57)N的1200℃上升到Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N的1450℃;此外,在850℃氧化10h后,Ti_(0.43)Al_(0.57)N涂层已完全氧化,而Ti_(0.42)Al_(0.54)W_(0.04)N和Ti_(0._(40))Al_(0.53)W_(0.07)N氧化层厚度分别为~0.59μm和~0.53μm。

生物医用Ti6Al4V合金上电弧沉积TiAlN陶瓷涂层的表面、力学和体外腐蚀性能

研究在医用Ti6Al4V合金上采用阴极电弧蒸发沉积制备的纳米晶TiAlN涂层的表面特性和体外腐蚀性能。采用XRD和FE-SEM对其结构和表面形貌进行分析,采用显微压痕法表征其表面的显微硬度,在模拟体液和人工唾液中进行体外腐蚀实验。结果表明:与无涂层合金相比,沉积TiAlN涂层后合金的表面硬度提高,为44.4 GPa,弹性模量为419.9 GPa,塑性变形能力增强,润湿角由(70.61±1.25)°增大到(86.27±2.2)°。生物腐蚀实验表明,沉积TiAlN涂层后,Ti6Al4V合金的腐蚀电位显著正移约150 m V,腐蚀电流密度显著降低约一个数量级,电荷转移电阻提高,证明合金的耐腐蚀性提高。与无涂层的合金相比,沉积TiAlN涂层后合金的表面性能、力学性能和耐腐蚀性能均有所提高。

TiAlN/Cr、TiAlN/CrN和TiAlN/CrAlN多层涂层的热盐腐蚀行为

钛合金的热盐腐蚀问题已引起人们的广泛关注,金属氮化物防护涂层是延长钛合金服役寿命的有效途径.采用多弧离子镀技术在钛合金表面沉积了TiAlN/Cr涂层、TiAlN/CrN涂层、TiAlN/CrAlN-5涂层和TiAlN/CrAlN-10涂层.通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、划痕测试仪、3D激光显微镜等测试手段对比研究了4种多层涂层的热盐腐蚀行为,分析了涂层热盐腐蚀前后的微观形貌和物相成分.结果表明:Al元素的添加和调制周期的优化可以提高涂层的致密性,改善涂层表面质量.其中TiAlN/CrAlN-10多层涂层由于界面密度高,表现出优异的耐热盐腐蚀性能.

偏压梯度TiAlN涂层高温氧化与抗高温粒子冲蚀性能

采用连续偏压的沉积工艺与磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面成功制备偏压梯度TiAlN涂层,对涂层的高温氧化性能与抗高温粒子冲蚀性能分别进行了考核,并对考核前后涂层的表面形貌、成分、相结构变化,以及冲蚀损伤特征进行了测试与表征。结果表明,400℃高温氧化后偏压梯度TiAlN涂层表面颜色加深,且保持完整平滑,无明显损伤;偏压涂层表面氧原子分数为20.9%,质量增加为0.81μg/mm^(2),偏压涂层结构更加致密,抑制氧元素向内扩展,抗氧化性能较bias-50 TiAlN涂层更佳。400℃下高温粒子冲蚀条件下,偏压梯度TiAlN涂层在30°与90°冲蚀角度下的冲蚀率分别为0.26 mg/g、0.24 mg/g,低于bias-50 TiAlN涂层,表现出更加优异的抗高温粒子冲蚀性能;在400℃条件下,钛合金基体与TiAlN涂层未发生明显的氧化损伤,高温粒子冲蚀损伤均为冲蚀主导机制。

TiAlN涂层的热残余应力分析

采用有限元方法分析氮铝钛涂层的残余热应力,研究不同的基体及过渡层对残余热应力分布的影响。结果表明:当基体为硬质合金时,涂层内以拉应力为主,而基体为不锈钢时,涂层内以压应力为主;增加过渡层可以使涂层内的残余应力减少40%以上;硬质合金基体中涂层的拉应力随基体钴含量和涂层厚度的增加而减少;无过渡层时,不锈钢基体存在明显的塑性约束区,有过渡层时,随着界面应力的减少,塑性约束区明显减小或消失。因此,通过不同的涂层和基体搭配可以改善应力场,同时增加过渡层可以缓和界面应力和增强界面结合力。

TiAlN硬质涂层的研究进展

综述了TiAlN硬质涂层的结构、性能,以及以TiAlN为基的多元涂层和纳米技术涂层的国内外最新研究现状。对TiAlN涂层进行多元化、多层化以及纳米技术的应用是提高该涂层综合性能的方法,也是该涂层今后的发展方向。

TC11钛合金表面电弧离子镀TiAlN涂层防护性能的研究

利用电弧离子镀技术在TC11钛合金基体上沉积TiA lN涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等方法对比分析了钛合金基体和涂层氧化前后的表面形貌、物相结构。采用X射线光电子能谱仪(XPS)对TiA lN涂层性能进行了分析,研究了基体和镀膜的耐磨性。结果表明,TiA lN涂层显著改善了钛合金的粘着磨损性及高温抗氧化性,在空气中650℃静态氧化100 h后,TiA lN涂层依然保持良好的状态和抗磨损性能。

TiAlN涂层往复滑动的摩擦学性能研究

为研究硬质合金表面沉积的TiA lN涂层的摩擦学行为,在不同介质(干态、乳化液、冷却油)条件和试验参数(法向载荷和位移幅值)下,进行了往复滑动摩擦磨损试验。在动力学分析基础上,结合光学显微镜(OM)、激光共焦扫描显微镜(LCSM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子能谱(EDS)等微观分析手段对摩擦学性能进行了研究。结果显示:在同样条件下,涂层在试验初期的摩擦因数较小;法向载荷增大,涂层的摩擦因数降低,而位移幅值对涂层摩擦因数的影响不明显;基体的磨损机制主要为磨粒磨损,而涂层剥落是剥层和氧化磨损共同作用的结果;在润滑条件下,涂层的摩擦学性能得到了很大的改善,使涂层寿命得到显著延长,其中冷却油的效果最明显。

电弧离子镀TiAlN涂层的热疲劳及抗氧化性能

采用独立的高纯钛、铝靶,在TC4钛合金基材表面以电弧离子镀工艺沉积制备了TiAlN涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)对比分析了钛合金基体和涂层热疲劳及氧化前后的表面形貌,利用能谱仪(EDS)分析了氧化前后的表面成分变化。结果表明,TiAlN涂层表现出很好的热疲劳抗力,显著改善了钛合金的高温抗氧化性。

TiAlN与TiCN系涂层磨损机理的比较

对多弧离子踱ＴｉＣＮ和ＴｉＡｌＮ薄膜的磨损机理进行了比较，发现ＴｉＡｌＮ以剥落为其主要磨损形式，而ＴｉＣＮ则有一中间层产生于摩擦面，该中间层由Ｔｉ、Ｃ、Ｏ、Ｆｅ等元素构成。

物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展

概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势,详细分析了制备方法、Al含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的涂层结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大、表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。为进一步促进TiAlN涂层的应用,今后还需探索该涂层的制备方法,优化其制备工艺。多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。

Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响

采用阴极电弧蒸发工艺在WC-6Co硬质合金表面制备Ti0.5Al0.5N、Ti0.45Al0.55N和Ti0.4Al0.6N涂层,采用声发射划痕仪测定涂层的结合强度。研究了Al含量对TiAlN涂层结合强度的影响及机理,并分析了TiAlN涂层的失效模式。结果表明,随Al含量增加,Ti1-xAlxN(x=0.5~0.6)涂层结合强度下降。TiAlN涂层结合强度受涂层残余应力与膜基硬度差的影响。Ti0.5Al0.5N涂层残余应力较小,且膜基差异性最小,结合强度最高。Ti0.5Al0.5N和Ti0.45Al0.55N涂层均为楔形剥落,Ti0.4Al0.6N涂层则为屈曲剥落。Al含量增加降低TiAlN涂层结合力,但有利于改善涂层韧性。Ti0.4Al0.6N涂层因含少量较软的h-Al N相,其韧性明显提高。

划痕法测定TiAlN涂层结合强度的研究

采用磁控溅射法在不锈钢表面制备了TiAlN涂层,采用压入法及划痕法表征了涂层的结合强度。分析表明,压入法只能作为一种定性的测定方法,该法测得TiAlN涂层的结合强度达到HF3。划痕法结合了声信号、摩擦力信号和划痕微观形貌,可以定量测定结合强度,该法测得在压头曲率半径为200μm的情况下,TiAlN涂层的临界载荷达到13 N,比传统TiN涂层提高了45%。

TiAlN纳米复合涂层的技术进展

综合介绍了国内外TiAlN涂层技术的发展现状和TiAlN涂层的性能特点、PCD制备工艺以及今后的发展趋势和研究方向;重点评述了高Al含量TiAlN超硬涂层、异质多层膜纳米复合TiAlN涂层和多元合金增强涂层技术的最新进展;指出了TiAlN涂层刀具在精密模具和汽车零部件加工中的重要作用。

电弧离子镀制备TiSiN纳米复合涂层

目的在SiH4气氛下制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,为SiH4用于工业化TiSiN涂层生产提供依据。方法采用电弧离子镀技术,在SiH4气氛下,于单晶硅和硬质合金衬底上制备Si掺杂的TiSiN纳米复合涂层,研究SiH4流量对TiSiN涂层化学组分、微观结构、硬度和耐磨性能的影响。结果 SiH4流量对TiSiN纳米复合涂层的微观结构、硬度及摩擦系数的影响明显。随着SiH4流量的增加,TiSiN涂层由柱状晶生长的晶体结构逐渐转变为纳米晶镶嵌于非晶基体的复合结构。Si在涂层中以Si3N4非晶相存在,随着涂层中Si含量逐渐增加,TiN晶粒尺寸逐渐减小,Si3N4起到细化晶粒的作用。在42 m L/min的SiH4流量下,涂层硬度高达4100HV0.025。在对磨材料为硬质合金的条件下,TiSiN涂层摩擦系数小于0.6。结论 SiH4气氛下可以制备出Ti N纳米晶镶嵌于Si3N4非晶相结构的TiSiN纳米复合涂层,涂层的显微硬度较高。SiH4可以作为Si源用于TiSiN纳米复合涂层的工业化生产。